專利名稱：納米級高深寬比結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)及其制作方法，尤指一種利用化學(xué)方法產(chǎn)生納米管以達(dá)到極高的深寬比與極微小尺寸的結(jié)構(gòu)，再加上所定義出的觸媒層圖案并且結(jié)合微電鍍成型，得到具高硬度、超高深寬比與極小線寬等特性的微結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著科技的進(jìn)步，微小化是微機(jī)電產(chǎn)業(yè)的趨勢，但必須能大量制作以降低微小化組件產(chǎn)品的制造成本，因而衍生出符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)需求的「微系統(tǒng)技術(shù)」。許多產(chǎn)業(yè)包括光電、通訊、生物醫(yī)學(xué)等方面，都需要微系統(tǒng)技術(shù)所制造的微型組件與結(jié)構(gòu)，因此隨著應(yīng)用產(chǎn)業(yè)日漸成長精進(jìn)，對于微型加工技術(shù)水平的要求也越來越高。以噴孔片為例，隨著品質(zhì)要求的提升與用途的改變(由噴墨打印機(jī)到給藥系統(tǒng))，噴孔片上的微型噴孔不斷縮小，所帶來的加工問題不只是線寬縮小，還有深寬比大幅的提高。
現(xiàn)有技術(shù)制作微型組件與結(jié)構(gòu)時，通常是利用蝕刻的方式，就是所謂的由上而下(Top down)的方法來制備微小尺寸材料，一般認(rèn)為光刻法的極限大約是在0.07微米左右，因?yàn)楣饪谭ū仨毧紤]到光具有衍射現(xiàn)象，因此若使用離子或電子束來替代光源的話，可將蝕刻技術(shù)的極限縮小至0.01微米。目前微系統(tǒng)技術(shù)中，已能結(jié)合深X-射線石印術(shù)(Deep X-Ray Lithography)、微電鍍技術(shù)(Micro Electrorming)、精密射出成形術(shù)(Micro-Injection)及微壓花術(shù)(Micro-Embossing)等X光深刻精密電鍍模造成形(LIGA)工藝，成為批量生產(chǎn)高深寬比與高精度微組件的較佳方法。
標(biāo)準(zhǔn)的LIGA工藝使用同步輻射X光為光刻源，可制作次微米精度的微結(jié)構(gòu)，且材料的應(yīng)用范圍廣泛，可制造金屬及塑料的微結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)的特點(diǎn)使得LIGA被公認(rèn)為最具有技術(shù)潛力，可開發(fā)出高深寬比、高精度的二維(2D)及立體(3D)微結(jié)構(gòu)的組件。但因其具有制造成本高、程序復(fù)雜、制作時間長等問題，使得以紫外光、激光或等離子作為光源的類LIGA工藝成為另一種發(fā)展趨勢。類LIGA工藝配合適當(dāng)光刻膠與紫外光源即可得到高深寬比微結(jié)構(gòu)，此工藝亦稱UV-LIGA，搭配電鍍技術(shù)可制作高深寬比的微結(jié)構(gòu)電鍍模具，以微結(jié)構(gòu)電鍍模具作為母模直接運(yùn)用于塑料成形及熱壓成型，即可制作大量低本的微小組件。
另一種用于制作高深寬比微結(jié)構(gòu)的方法為微放電加工(μ-EDM)，其是以微能量進(jìn)行放電加工，放電間隙縮小至數(shù)微米(um)、放電時間減小至50nsec，使兩極間形成等離子體信道，將工件表面的加工液氣化，產(chǎn)生沖擊壓力，而將熔融的材料沖離，過程中不產(chǎn)生切削力，達(dá)到加工去除的目的。此加工技術(shù)可應(yīng)用于制造打印機(jī)噴墨板母模、纖維紡(Spinneret)、高腳數(shù)探針卡等復(fù)雜的微小模具或微探針與微孔制作。然此種方法所得到的深寬比有限，制造圖案線寬大且無法批量制造。
此外，微激光加工(Micro Laser Machining)亦用于制作高深寬比微結(jié)構(gòu)，其加工原理利用一典型激光加工設(shè)備示意圖，由其中床臺控制X-Y軸的位置，Z軸透鏡的升降則可控制其聚焦深度。至于其加工方式概可分為兩大類(一)紅外線激光將材料表面物質(zhì)加熱汽化(蒸發(fā))而除去該材料的加工方式，例如CO2激光或Nd:YAG激光。
(二)紫外線激光直接將材料的分子鍵打斷，使分子脫離本體的加工方式，不會產(chǎn)生高熱，例如UV-YAG激光、準(zhǔn)分子激光(Eximer laser)。
利用此法雖然有制造圖案線寬小與制作時間短的優(yōu)點(diǎn)，然而所得到的深寬比仍有限并且無法批量制造。
上述現(xiàn)有微結(jié)構(gòu)制作方法主要用于微米級的模具加工，但是人們?nèi)缬a(chǎn)生更高深寬比或納米級微結(jié)構(gòu)時，就不是這些方法所能達(dá)成的。有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明即提出一種結(jié)合納米管制造所產(chǎn)生極微小尺寸的結(jié)構(gòu)，再加上所定義出的起始層圖案與微電鍍成型技術(shù)，即可得到高硬度且超高深寬比的微結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于提供一種納米級超高深寬比的母模結(jié)構(gòu)，其為一基板、一導(dǎo)電層、一觸媒層與一納米管層所組成，導(dǎo)電層與觸媒層依序形成于基板之上，該觸媒層定義需要形成納米管的圖案，即納米管層僅形成于具有觸媒層的區(qū)域上、并朝垂直于該基材的方向延伸一預(yù)定高度(約0.1-100nm)，其中，納米管間隙間，即不需形成納米管層的導(dǎo)電層區(qū)域是裸露的，以供后續(xù)電鍍制作時用作電極，電鍍后，得到高硬度且超高深寬比的微結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的第二目的在于提供一種納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)的制作方法，可將導(dǎo)電層、觸媒層與納米管層依序形成于基板之上，進(jìn)行電鍍制作并去除納米層，即得出大量其圖案線寬小，而深寬比超高的微結(jié)構(gòu)。
為能對本發(fā)明有進(jìn)一步的了解與認(rèn)同，茲配合附圖作一詳細(xì)說明如后。


圖1為本發(fā)明納米級高深寬比結(jié)構(gòu)的制造流程圖。
圖2為本發(fā)明的納米碳管層電子顯微鏡側(cè)視圖。
圖3為本發(fā)明納米級高深寬比結(jié)構(gòu)于鄰二氯苯溶液中去除納米碳管示意圖。
圖號說明1 基材；2 電鍍起始層(即導(dǎo)電層)；3 保護(hù)層；4 觸媒層；5 納米碳管；6 電鍍材料；7 信道；81 鍍上電鍍起始層；82 鍍上保護(hù)層；83 鍍上觸媒層；84于觸媒層表面定義圖案；85 成長納米管；86 去除保護(hù)層并使電鍍起始層裸露；87 進(jìn)行合金電鍍；88 去除基材與納米管；9 鄰二氯苯；10 震蕩平臺；11 微電鍍結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明主要是利用化學(xué)法由下而上(Bottom up)的方式，以原子或分子作為最基本的單位，再配合電解、化學(xué)氣相沉積等方法，漸漸長成納米級大小的材料。藉由這樣的觀念，使用化學(xué)方法所產(chǎn)生的納米管可達(dá)到極高的深寬比與極微小尺寸的結(jié)構(gòu)，再加上所定義出的起始層圖案，并結(jié)合微電鍍成型即可得到所需的高硬度且超高深寬比的微結(jié)構(gòu)。前述納米管的材料常見的有以下幾種納米碳管(Carbon nanotube)、氮化鎵(GaN)納米管、氮化硼納米管、納米管復(fù)合材料(Nanotube compound)等。
以下將舉出納米碳管為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，詳細(xì)說明本發(fā)明的使用方法，運(yùn)作方式，功效，以及本發(fā)明的其它技術(shù)特征。
首先請參閱圖1，其為本發(fā)明高深寬比結(jié)構(gòu)制造流程圖，首先準(zhǔn)備一基材1，該基材1選自硅晶片，若欲大量制造本發(fā)明的高深寬比結(jié)構(gòu)，可同時準(zhǔn)備數(shù)批硅晶片基材1。于前述硅晶片基材1鍍上一層金屬材質(zhì)作為導(dǎo)電層(即電鍍起始層)2(步驟81)，所述導(dǎo)電層可為任何導(dǎo)電性優(yōu)良的金屬。鍍膜常用的方法可利用濺鍍(Sputter)與化學(xué)氣相沉積法(CVD)。由于前述電鍍起始層2是利用金屬材質(zhì)，為了避免于后續(xù)成長納米碳管5的步驟時電鍍起始層2參與反應(yīng)，當(dāng)電鍍起始層2鍍完后，緊接著于電鍍起始層2上鍍有一層磷硅玻璃(PSG)材質(zhì)的保護(hù)層3(步驟82)，前述磷硅玻璃鍍膜方法可為化學(xué)氣相沉積法。電鍍起始層2的保護(hù)層3形成之后，接著鍍上成長納米碳管5所需的觸媒層4(步驟83)，前述觸媒層4常用的觸媒材料有鐵、鈷、鎳，其鍍膜方法可選自濺鍍或化學(xué)氣相沉積法，并且觸媒層4表面是使用光刻工藝制作出的所需圖案(步驟84)，最后所留下的圖案即為后續(xù)可成長納米碳管5的部分。若所需的圖案線寬小于光刻工藝的能力(如小于0.18微米)可改用電子束加工(Electro BeamMachining，簡稱EBM)的方法，用高電功來加速電子束作熱加工。
目前常用的納米碳管5制造方法有三種，分別為弧放電法、激光激發(fā)法以及化學(xué)氣相沉積法。本發(fā)明是利用化學(xué)氣相沉積法而令納米碳管5沉積于觸媒層4上(圖中未表示)。具體是于超過700℃的高溫爐中置入鐵、鈷、鎳金屬顆粒，并利用乙炔或甲烷為主的碳?xì)浠衔餁怏w通入高溫的石英管爐中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)氣體會因高溫而被催化分解成碳，且會吸附在觸媒(鐵、鈷、鎳)的表面上逐漸堆積成長(請參照圖2與圖1步驟85)。
在進(jìn)入電鍍工藝之前，需將磷硅玻璃保護(hù)層3去除，使得電鍍起始層2裸露出來作為反應(yīng)電極(步驟86)。去除保護(hù)層3的方式以能夠減少側(cè)蝕的方法為佳，例如深反應(yīng)式離子蝕刻機(jī)(Deep RIE)。當(dāng)保護(hù)層3去除完成后即可開始電鍍(步驟87)，為了達(dá)到較高的硬度，可利用鎳鈷合金作為電鍍材料6，藉由上述步驟即可完成納米級微電鍍結(jié)構(gòu)11。
當(dāng)電鍍工藝終了后，隨即進(jìn)行納米碳管5去除工作(步驟88)。首先將硅晶片浸泡于氫氧化鉀中使其蝕刻完畢，或使用外力分離硅晶片與電鍍結(jié)構(gòu)，并以去離子水清洗。請參照圖3，令微電鍍結(jié)構(gòu)11置入鄰二氯苯9溶液中并于超聲波震蕩平臺10上震蕩的(有文獻(xiàn)指出鄰二氯苯9對于納米碳管5的溶解率可高達(dá)95mg/L每小時)，直到完全去除納米碳管5為止，此時微電鍍結(jié)構(gòu)11形成若干高深寬比的信道7。藉由質(zhì)譜儀測量可知(圖中未示)，證實(shí)納米碳管5已被去除。為求達(dá)到更好的去除效果，可于浸泡鄰二氯苯9之前，先進(jìn)行納米碳管5的純化，目的在于去除納米碳管5之間的雜質(zhì)，使得碳管易于松脫?？蓪⑽㈦婂兘Y(jié)構(gòu)11置入鹽酸與硝酸混合液中(5∶2)，持續(xù)加熱浸泡三小時并保持混合液的流動與擾動，即可有效去除納米碳管5間的雜質(zhì)，所述雜質(zhì)包含金屬觸媒與非結(jié)晶碳，再配合鄰二氯苯9溶液分離已松動的納米碳管5。
此外，亦可以表面改質(zhì)的原理來進(jìn)行納米碳管5去除，將含納米碳管5的微電鍍結(jié)構(gòu)11置入二甲基甲酰胺(Dimethylformamide，DMF)溶液中，并加入過量的醛(Aldehyde)和甘氨酸(Glycine)，加熱至130℃經(jīng)過約36小時(圖中未表示)，可使得納米碳管5原先的富勒希(Fullerene C60)結(jié)構(gòu)被改質(zhì)而具有溶解于有機(jī)溶液的特性。改質(zhì)完畢之后，置入有機(jī)溶液如丙酮、甲醇、乙醇等，即可溶解納米碳管5得到最后的納米級微電鍍結(jié)構(gòu)11。此微結(jié)構(gòu)藉由納米碳管5形成母模，并使用合金電鍍的技術(shù)，故所得到的結(jié)構(gòu)同時具有超高深寬比與高硬度的特性。又，結(jié)構(gòu)的圖案由母模成長之初的觸媒層4所決定，其觸媒層4為一金屬薄膜，且納米碳管5僅于觸媒層4所定義的圖案上垂直成長，故能利用光刻工藝或電子束蝕刻達(dá)到極小的線寬需求，使得完成的微電鍍結(jié)構(gòu)11也同時具有相同的線寬小的特性。
綜上所述，本發(fā)明的納米級高深寬比結(jié)構(gòu)，是利用化學(xué)方法產(chǎn)生的納米管以達(dá)到極高的深寬比與極微小尺寸的結(jié)構(gòu)，再加上所定義出的觸媒層4圖案，并且結(jié)合微電鍍成型即可得到所需具有高硬度、超高深寬比與極小線寬等特性的微結(jié)構(gòu)，所形成的微結(jié)構(gòu)可作為微型噴孔片、微探針數(shù)組、光柵以及微成型用的微小模具。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，不能用以限定本發(fā)明所實(shí)施的范圍。大凡依本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，皆屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)的制作方法，該制作方法包括(A)提供基材，于該基材上涂有一導(dǎo)電層及一保護(hù)層；(B)于該基材的保護(hù)層上覆蓋成長納米管所需的觸媒層；(C)由該觸媒層定義出需要形成納米管的圖案；(D)使納米管依據(jù)所定義的圖案朝垂直于該基材的方向成長0.1-100nm的預(yù)定高度；(E)去除非定義圖案區(qū)域的保護(hù)層，使部分導(dǎo)電層暴露于納米管之間，以作為進(jìn)行后續(xù)電鍍工藝時的電極；以及(F)進(jìn)行電鍍，使電鍍材料填充于納米管之間。(G)將基材、導(dǎo)電層、保護(hù)層、觸媒層及納米碳管均去除，僅留下具有納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)的電鍍結(jié)構(gòu)材料。
2.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該保護(hù)層可為磷硅玻璃。
3.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該觸媒層選自鐵(Fe)、鈷(Co)，鎳(Ni)中的任一種。
4.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該納米管可為納米碳管、氮化鎵納米管、氮化硼納米管和納米管復(fù)合材料之一種。
5.如權(quán)利要求1所述的制作方法，其中該電鍍材料為鎳、鎳鈷合金以及鎳鎢合金材料之一種。
6.一種納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)，是由下述方法制造的結(jié)構(gòu)一基板；一導(dǎo)電層，形成于基板之上；一觸媒層，形成于導(dǎo)電層上，該觸媒層定義需要形成納米管的圖案；一納米管層，僅形成于具有觸媒層的區(qū)域上、并朝垂直于該基材的方向延伸0.1-100nm的預(yù)定高度，其中，納米管間隙間不需形成納米管層的導(dǎo)電層區(qū)域是裸露的；以及一電鍍層，是以材料填充于納米管層中納米管與納米管間隙間裸露的導(dǎo)電層區(qū)域形成的；以及將基材、導(dǎo)電層、保護(hù)層、觸媒層及納米碳管均去除，僅留下具有納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)的電鍍材料。
7.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中該電鍍層的材質(zhì)可為鎳、鎳鈷合金以及鎳鎢合金材料之一種。
8.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中該納米管可為納米碳管、氮化鎵納米管、氮化硼納米管與納米管復(fù)合材料之一種。
全文摘要
一種納米級超高深寬比結(jié)構(gòu)，其為由下述方法制造的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備一基板、一導(dǎo)電層、一觸媒層與一納米管層所組成的母模結(jié)構(gòu)，利用濺鍍或化學(xué)氣相沉積法將導(dǎo)電層與觸媒層依序形成于基板上，前述觸媒層定義需要形成納米管的圖案，即納米管層僅形成于具有觸媒層的區(qū)域上、并朝垂直于該基材的方向延伸一預(yù)定高度，其中，不需形成納米管層的導(dǎo)電層區(qū)域是裸露的，以供作為進(jìn)行后續(xù)電鍍工藝的反應(yīng)電極。當(dāng)電鍍完成后，將納米管層與基材除去，即可得到高硬度且超高深寬比的微結(jié)構(gòu)。
文檔編號B82B3/00GK1640811SQ20041000040
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月12日
發(fā)明者王郁仁, 沈圣智, 林坤龍, 李聰瑞, 蔡明杰, 周敏杰 申請人:財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院